電解加工是一種利用陽(yáng)極溶解原理并借助于成型的陰極,將工件加工成型的工藝方法,其以離子狀態(tài)去除材料的方式在加工機(jī)理上存在微細(xì)、精密加工,甚至是納米級(jí)加工可能性,因此,電解加工技術(shù)在微細(xì)制造領(lǐng)域有著很大的發(fā)展?jié)摿Α?但是在傳統(tǒng)電解加工中,通常采用具有腐蝕性電解質(zhì)水溶液(如中性鹽、酸、堿)作電解液,對(duì)加工零件及環(huán)境可能產(chǎn)生腐蝕和污染,這在精密、微細(xì)元件的加工中更要特別注意防止。為了解決這些問(wèn)題,日本有學(xué)者提出以高純水為電解液的構(gòu)想。常溫、常壓條件下,高純水中OH~-、H~+濃度只有10-7mol/L,在電場(chǎng)強(qiáng)度為4×10~4V/m的條件下,電流密度只能達(dá)到10-5A/cm~2數(shù)量級(jí),很難用于實(shí)際電解加工。而采用強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換膜催化水解離,在同樣電場(chǎng)強(qiáng)度下,高純水中有大量水分子解離,使電流密度可達(dá)1A/cm~2以上。而電流密度達(dá)到1～10A/cm~2范圍內(nèi),相應(yīng)電解加工去除速度達(dá)到1～10μm/min數(shù)量級(jí),已經(jīng)進(jìn)入實(shí)用微細(xì)電解加工速度范圍,顯示了其在微細(xì)、精密加工領(lǐng)域良好的應(yīng)用前景。 本文在分析高純水設(shè)備在微細(xì)電解加工的理論和水解離機(jī)理的基礎(chǔ)上,得到了實(shí)現(xiàn)高純水微細(xì)電解加工的必要條件,建立了水解離模型,并對(duì)此進(jìn)行了分析,采用“空穴”傳導(dǎo)理論解釋了水解離的過(guò)程,為高純水電解加工技術(shù)的后續(xù)研究工作奠定了理論基礎(chǔ)。 通過(guò)對(duì)離子交換樹(shù)脂、離子交換膜、雙極膜三種類型離子交換材料的結(jié)構(gòu)、性能及促進(jìn)水解離的方式進(jìn)行了分析,根據(jù)高純水微細(xì)電解加工的特點(diǎn),選擇陽(yáng)離子交換膜作為促進(jìn)水解離的離子交換材料,并為下一步設(shè)計(jì)高純水微細(xì)電解加工試驗(yàn)裝置提供了依據(jù)。 還以工程應(yīng)用為目標(biāo),進(jìn)行了高純水微細(xì)電解加工試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)和制作,特別對(duì)試驗(yàn)裝置的關(guān)鍵部分進(jìn)行了系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì),并對(duì)不同試驗(yàn)裝置系統(tǒng)的使用進(jìn)行了說(shuō)明。選擇了壓電陶瓷微驅(qū)動(dòng)器和普通的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的多軸數(shù)控系統(tǒng)作為微進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),確保試驗(yàn)裝置滿足加工的要求。 *后,進(jìn)行了高純水微細(xì)電解加工的可行性及工藝試驗(yàn)研究。通過(guò)測(cè)定ηω—i關(guān)系曲線、三角/方形孔的加工及字母“PW-ECM”的加工,驗(yàn)證了其在2D/3D幾何形狀加工的可行性。并且針對(duì)工藝試驗(yàn)中出現(xiàn)的問(wèn)題,采用脈沖電流、超聲波輔助的方式進(jìn)行了高純水微細(xì)電解加工的研究。試驗(yàn)結(jié)果表明,采用脈沖電流不僅提高了高純水電解加工的加工精度,且通過(guò)脈間的斷電間歇來(lái)實(shí)現(xiàn)加工間隙內(nèi)電解液的周期性更新,使間隙中的電解產(chǎn)物得到及時(shí)排除,保證了加工的穩(wěn)定性。另外,在加工區(qū)加上超聲振動(dòng),利用電解液的振動(dòng)沖擊及“負(fù)壓空化”效應(yīng)來(lái)消除附著在工件表面的鈍化膜,使加工過(guò)程連續(xù)進(jìn)行,同時(shí)超聲振動(dòng)還可改善加工區(qū)狀態(tài),解決了電解產(chǎn)物排出問(wèn)題。 通過(guò)以上理論分析和試驗(yàn)研究,表明了以高純水為電解液的微細(xì)電解加工是可行的,并且高純水電解加工為傳統(tǒng)的電解加工方法提供了新的思路,有望為“綠色”微細(xì)加工開(kāi)拓出新的途徑。